Manual de aerodinâmica

Os fatores mais importantes que afetam a resistência do ar do veículo

A baixa resistência do ar ajuda a reduzir o consumo de combustível. No entanto, a este respeito, existe um enorme espaço para desenvolvimento. Se, é claro, os especialistas em aerodinâmica concordam com a opinião dos projetistas.

"Aerodinâmica para quem não sabe fazer motocicletas." Essas palavras foram ditas por Enzo Ferrari nos anos XNUMX e demonstram claramente a atitude de muitos designers da época em relação a esse lado tecnológico do carro. No entanto, foi apenas dez anos depois que ocorreu a primeira crise do petróleo, que mudou fundamentalmente todo o seu sistema de valores. Momentos em que todas as forças de resistência durante o movimento do carro, e principalmente aquelas que surgem ao passar pelas camadas de ar, são superadas por extensas soluções técnicas, como aumentar a cilindrada e a potência dos motores, independente da quantidade de combustível consumido, eles vão embora e os engenheiros começam a olhar maneiras mais eficazes de atingir seus objetivos.

No momento, o fator tecnológico da aerodinâmica está coberto por uma espessa camada de poeira do esquecimento, mas para os projetistas isso não é novidade. A história da tecnologia mostra que, mesmo na década de 77, mentes avançadas e inventivas, como o alemão Edmund Rumpler e o húngaro Paul Jaray (que criou o icônico Tatra TXNUMX), formaram superfícies aerodinâmicas e estabeleceram as bases para uma abordagem aerodinâmica do design da carroceria do carro. Eles foram seguidos por uma segunda onda de especialistas em aerodinâmica, como o Barão Reinhard von Könich-Faxenfeld e Wunibald Kam, que desenvolveram suas idéias nos XNUMXs.

É claro para todos que com o aumento da velocidade surge um limite, acima do qual a resistência do ar se torna um fator crítico para dirigir um carro. A criação de formas otimizadas aerodinamicamente pode aumentar consideravelmente esse limite e é expresso pelo chamado fator de fluxo Cx, pois um valor de 1,05 tem um cubo invertido perpendicularmente ao fluxo de ar (se for girado 45 graus ao longo de seu eixo, de modo que o fluxo ascendente borda diminui para 0,80). No entanto, esse coeficiente é apenas uma parte da equação da resistência do ar - você deve adicionar o tamanho da área frontal do carro (A) como um elemento importante. A primeira das tarefas dos aerodinâmicos é criar superfícies limpas e aerodinamicamente eficientes (fatores dos quais, como veremos, muito em um carro), o que acaba levando a um coeficiente de fluxo mais baixo. Medir este último requer um túnel de vento, que é uma estrutura cara e extremamente complexa – um exemplo disso é o túnel inaugurado em 2009. BMW, que custou à empresa 170 milhões de euros. O componente mais importante nele não é um ventilador gigante, que consome tanta eletricidade que precisa de uma subestação transformadora separada, mas um suporte de rolos preciso que mede todas as forças e momentos que um jato de ar exerce sobre um carro. Sua tarefa é avaliar toda a interação do carro com o fluxo de ar e ajudar os especialistas a estudar cada detalhe e alterá-lo para que não seja apenas eficaz no fluxo de ar, mas também de acordo com os desejos dos projetistas. . Basicamente, os principais componentes de arrasto que um carro encontra vêm de quando o ar à sua frente se comprime e muda e – muito importante – da intensa turbulência atrás dele na parte traseira. Existe uma zona de baixa pressão que tende a puxar o carro, que por sua vez se mistura com um forte efeito de vórtice, que os aerodinamicistas também chamam de "excitação morta". Por razões lógicas, depois dos modelos de perua, o nível de vácuo é maior, o que faz com que o coeficiente de consumo se deteriore.

Fatores de arrasto aerodinâmico

Este último depende não apenas de fatores como a forma geral do carro, mas também de partes e superfícies específicas. Na prática, a forma geral e as proporções dos carros modernos respondem por 40% da resistência total do ar, um quarto da qual é determinado pela estrutura da superfície do objeto e recursos como espelhos, luzes, placa de carro e antena. 10% da resistência do ar deve-se ao fluxo através das aberturas para os freios, motor e transmissão. 20% é resultado do vórtice em vários desenhos de piso e suspensão, ou seja, tudo que acontece embaixo do carro. E o mais interessante - 30% da resistência do ar se deve aos vórtices criados ao redor das rodas e asas. Uma demonstração prática desse fenômeno mostra isso claramente - a vazão de 0,28 por veículo cai para 0,18 quando as rodas são removidas e as aberturas dos para-lamas fechadas. Não é por acaso que todos os carros com quilometragem surpreendentemente baixa - como o primeiro Insight da Honda e o carro elétrico GM EV1 - têm para-lamas traseiros ocultos. A forma aerodinâmica geral e a frente fechada, devido ao fato de o motor elétrico não exigir muito ar de resfriamento, permitiram aos projetistas da GM desenvolver o modelo EV1 com um fator de fluxo de apenas 0,195. Tesla Model 3 tem Cx 0,21. Para reduzir a vorticidade das rodas em veículos com motores de combustão interna, os chamados. "Cortinas de ar" na forma de um fino fluxo de ar vertical direcionado da abertura do para-choque dianteiro, soprando nas rodas e estabilizando os vórtices, o fluxo para o motor é limitado por persianas aerodinâmicas e o fundo é totalmente fechado.

Quanto menores os valores das forças medidas pelo suporte de rolos, menor Cx. É normalmente medido a uma velocidade de 140 km/h – um valor de 0,30, por exemplo, significa que 30% do ar que um carro atravessa é acelerado até sua velocidade. Já na frente, sua leitura exige um procedimento bem mais simples - para isso, os contornos externos do carro são traçados com um laser quando vistos de frente e é calculada a área delimitada em metros quadrados. É então multiplicado pelo fator de fluxo para obter a resistência total do ar do carro em metros quadrados.

Voltando ao esboço histórico de nossa narrativa aerodinâmica, descobrimos que a criação do ciclo de medição de consumo de combustível padronizado (NEFZ) em 1996 na verdade desempenhou um papel negativo na evolução aerodinâmica dos carros (que avançou significativamente nos anos 7). ) porque o fator aerodinâmico tem pouco efeito devido ao curto período de movimento em alta velocidade. Apesar da diminuição do coeficiente de consumo ao longo dos anos, o aumento das dimensões dos veículos de cada classe leva a um aumento da área frontal e, consequentemente, a um aumento da resistência do ar. Carros como o VW Golf, o Opel Astra e o BMW Série 90 tinham maior resistência ao ar do que seus antecessores nos anos 90. Esta tendência é facilitada por modelos SUV impressionantes com sua grande área frontal e aerodinâmica deteriorada. Esse tipo de veículo tem sido criticado principalmente por seu alto peso, mas na prática esse fator perde importância relativa com o aumento da velocidade - ao dirigir fora da cidade a uma velocidade de cerca de 50 km / h, a proporção de resistência do ar é de cerca de 80 por cento, em velocidades de rodovia aumenta para XNUMX por cento da resistência total enfrentada pelo carro.

Tubo aerodinâmico

Outro exemplo do papel da resistência do ar no desempenho do veículo é um modelo típico de Smart City. Um carro de dois lugares pode ser ágil e ágil nas ruas da cidade, mas sua carroceria curta e proporcional é altamente ineficiente do ponto de vista aerodinâmico. Num contexto de baixo peso, a resistência do ar torna-se um elemento cada vez mais importante e, com o Smart, começa a ter um forte efeito a velocidades de 50 km / h. Não é de estranhar que, apesar do design leve, não tenha correspondido às expectativas de custo relativamente baixo.

No entanto, apesar das deficiências do Smart, a atitude da empresa controladora Mercedes em relação à aerodinâmica é um exemplo de uma abordagem metódica, consistente e proativa para o processo de criação de formas espetaculares. Pode-se argumentar que os resultados do investimento em túneis de vento e trabalho árduo nesta área são especialmente visíveis nesta empresa. Um exemplo particularmente marcante do efeito desse processo é o fato de que o atual Classe S (Cx 0,24) tem menos resistência ao ar do que o Golf VII (0,28). Na busca por mais espaço interno, o formato do modelo compacto adquiriu uma área frontal bastante grande, e o coeficiente de fluxo é pior que o da classe S devido ao seu comprimento menor, que não permite superfícies aerodinâmicas e muito mais. - já devido a uma transição brusca por trás, contribuindo para a formação de vórtices. No entanto, a VW está convencida de que a próxima geração do Golf terá significativamente menos resistência ao ar e será rebaixada e aerodinâmica. O menor fator de consumo de combustível registrado de 0,22 por veículo ICE é o Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.

A vantagem dos veículos elétricos

Outro exemplo da importância da forma aerodinâmica em relação ao peso são os modelos híbridos modernos e ainda mais os veículos elétricos. No caso do Prius, por exemplo, a necessidade de um design altamente aerodinâmico também é ditada pelo fato de que, à medida que a velocidade aumenta, a eficiência do trem de força híbrido cai drasticamente. No caso dos veículos elétricos, tudo relacionado ao aumento da quilometragem no modo elétrico é extremamente importante. De acordo com especialistas, reduzir o peso em 100 kg aumentará a quilometragem do carro em apenas alguns quilômetros, mas por outro lado, a aerodinâmica é de extrema importância para um carro elétrico.

Em primeiro lugar, porque a elevada massa destes veículos permite recuperar alguma da energia utilizada para a recuperação e, em segundo lugar, porque o elevado binário do motor elétrico permite compensar o efeito do peso no arranque, diminuindo a sua eficiência em altas velocidades e altas velocidades. Além disso, a eletrônica de potência e o motor elétrico precisam de menos ar de refrigeração, o que permite uma abertura menor na frente do carro, o que, como já observamos, é o principal motivo da deterioração do fluxo ao redor da carroceria. Outro elemento da motivação dos designers para criar formas aerodinamicamente mais eficientes nos modelos híbridos plug-in de hoje é o modo de movimento sem aceleração apenas com a ajuda de um motor elétrico, ou o chamado. navegação. Ao contrário dos veleiros, de onde vem o termo e para onde o vento deve mover o barco, os carros elétricos aumentarão a quilometragem se o carro tiver menos resistência do ar. Criar uma forma otimizada aerodinamicamente é a maneira mais econômica de reduzir o consumo de combustível.

Texto: Georgy Kolev

As taxas de fluxo de alguns carros famosos:

Mercedes Simplex

Produção de 1904, Cx = 1,05

Rumpler Tropfenwagen

Produção de 1921, Cx = 0,28

Ford Modelo T

Produção de 1927, Cx = 0,70

Modelo experimental Kam

Produção de 1938, Cx = 0,36

Carro record Mercedes

Produção de 1938, Cx = 0,12

Barramento VW

Produção de 1950, Cx = 0,44

VW "tartaruga"

Produção de 1951, Cx = 0,40

Panhard Dina

Produção de 1954, Cx = 0,26

Porsche 356

Produção de 1957, Cx = 0,36

MG EX 181

Produção de 1957, Cx = 0,15

Citroen DS 19

Produção de 1963, Cx = 0,33

NSU Sport Prince

Produção de 1966, Cx = 0,38

Mercedes C 111

Produção de 1970, Cx = 0,29

Volvo 245 Van

Produção de 1975, Cx = 0,47

Audi 100

Produção de 1983, Cx = 0,31

Mercedes W 124

Produção de 1985, Cx = 0,29

Toyota Prius 1

Produção de 1997, Cx = 0,29